核电厂消防水箱泄漏原因分析及解决措施

陈廷伟 边春华 刘洪群 文 杰

（1. 中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300；2. 苏州热工研究院有限公司，江苏 苏州 215004）

0 引言

消防水系统是核电厂防火系统的主要组成部分，是核电厂重要的安全保障系统,一旦消防水系统失效，必将对核电厂火灾事故的预防产生重大影响，威胁核安全。

国内某核电厂消防气压供水系统的消防水箱在运行9年以后发生泄漏，泄漏部位为水箱底部焊缝部位，如图1所示。该消防水箱容积为20m3，以生活饮用水为补充水源。根据竣工图，水箱为全焊接形式，箱底和箱壁均为304不锈钢材质，内壁无防腐措施，壁厚为6mm。

本文就消防水箱腐蚀穿孔原因进行了分析，对新建、在建核电厂消防水箱设计、施工给出了建议。

图1 消防水箱腐蚀穿孔

1 消防水箱泄漏原因分析

1.1 焊材分析

根据消防水箱质量证明书，水箱底板为对接拼焊形式，焊条牌号为H00Cr21Ni10，壁板和底板的焊接为角接焊，焊条牌号为A102（E308-16），焊材具体成分如表1所示。从表中可以看出，两种焊条的化学成分和母材化学成分比较接近，具有相似的耐蚀性和膨胀系数，均适用于304不锈钢焊接，因此焊材选择没有问题。

1.2 介质分析

消防水箱内部介质为生活饮用水，水质情况如表2所示。从表中可以看出，消防水中含有较多的SO42-、Cl-、HCO3-等离子，其中Cl-会破坏不锈钢材料表面的钝化膜，从而引起不锈钢发生腐蚀[1]。

1.3 泄漏原因分析

（1）Cl-导致发生点蚀

生活饮用水中的Cl-会破坏304不锈钢表面的钝化膜，而形成点蚀源[2]。点蚀源一旦形成，局部会存在蚀孔，孔内的表面就处于活性溶解状态，电位较负，成为阳极；蚀孔外的金属表面仍处于钝态，电位较正，成为阴极。于是，蚀孔内部和外部构成了一个活化-钝化的微电偶腐蚀电池。此电池具有大阴极、小阳极面积比的结构，所以阳极溶解速度很大，蚀孔向深处发展很快，而金属钝化表面受到保护，如图2所示。304不锈钢焊缝缺陷如硫化物夹杂、晶界碳化物沉积等缺陷，均会导致局部的钝化膜易于受到Cl-的破坏而形成点蚀；

图2 点蚀机理示意图

表1 消防水箱和焊条材料的化学成分

（2）焊缝残余应力引起应力腐蚀

应力腐蚀是304不锈钢失效中最常见、危害也最大的一种缺陷[3]。应力腐蚀的产生与发展需要材料具有拉应力与特殊介质（活性阴离子，尤其是Cl-）这两个基本条件。消防水箱的304不锈钢板拼焊过程中不可避免存在着残余拉应力，并且水箱较大，内部充满生活饮用水，饮用水自身的重力作用与水箱底部也会产生拉应力；生活引用水中含有大量的Cl-，构成了环境因素；拉应力和Cl-共同作用极易导致消防水箱底部焊缝发生应力腐蚀开裂；

（3）不锈钢焊缝处由于晶粒粗大、成分偏析等原因耐蚀性降低。

不锈钢高温加热时晶粒边界会析出碳化铬、氮化铬和其他金属间化合物等，该析出物的铬含量往往会高于不锈钢平均铬含量，致使晶界高铬相与晶粒外缘相邻接的狭长区域的铬含量大大下降，形成贫铬区[4,5]。不锈钢焊接时，热过程较短，线能量不断增加，晶粒本体的铬原子来不及充分向贫铬区扩散补充，温度下降后，贫铬区得以保持。消防水箱服役过程中，不锈钢焊缝接触到内部生活饮用水时，贫铬区的溶解速度会大大超过晶粒本身，会产生晶间腐蚀；

表2 消防水箱介质水质

（4）水箱底部及底部与箱壁连接处易积垢导致缝隙腐蚀。

消防水箱底部及底部与箱壁连接处原有焊缝焊接质量可能较差，存在错边、咬边或未焊透等缺陷，造成焊缝处存在细微缝隙。而水箱上游生活饮用水管道为碳钢材质，其腐蚀产物会随补水进入水箱，并与水中污垢沉积在箱底。焊缝处的缝隙缺陷容易积垢导致缝隙腐蚀。

2 解决措施及建议

2.1 介质控制

消防水箱不锈钢焊缝处的点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等腐蚀问题，生活饮用水中的Cl-是关键环境因素。可考虑控制介质中的Cl-，从而避免发生点蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀。

2.2 电化学抛光

对消防水箱不锈钢焊缝处进行电化学抛光钝化，利用不锈钢在电解液中的选择性阳极溶解而达到降低粗糙度，增加表面均一性，同时形成一层致密钝化膜。电解抛光后的微观表面粗糙度显著降低，表面自由能减小，与环境反应活性下降，聚积Cl-等危险离子的可能性也随之降低。这样焊缝处的腐蚀电位升高，耐蚀能力增强。

2.3 内表面涂装

对消防水箱内表面进行涂装，在304不锈钢基体表面和内部介质之间建立一道人工屏障来阻止和延缓不锈钢腐蚀和破坏。

3 结语

消防水箱作为核电厂消防系统的重要组成设备，直接影响核电厂的消防系统的正常运行，因此该系统设备的安全稳定性应得到重视，尤其消防相关设备的腐蚀设计、施工和防腐管理，避免因腐蚀原因导致的安全事件发生。